PID控制器参数整定设计样本

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。1 前言当前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构 ,加到被控系统上 ;控制系统的被控量 ,经过传感器 ,变送器 ,经过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。当前,

2、 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器 ( 仪表 ) 已经很多 , 产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID 控制器产品 , 各大公司均开发了具有PID 参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator),其中 PID 控制器参数的自动调整是经过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、 温度、 流量、 液位控制器 , 能实现 PID 控制功能的可编程控制器 (PLC), 还有可实现 PID 控制的 PC系统等等。可编程控制器 (PLC) 是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制 , 而可编程控制器 (PLC)能够直接与 C

3、ontrolNet相连。还有能够实现 PID控制功能的控制器 , 如 Rockwell 的 Logix 产品系列 ,能够直接与 ControlNet相连 , 利用网络实现其远程控制功能。控制系统的性能指标一般包括稳态和动态两个方面。稳态性能指标是指系统的稳态误差 ,它表征系统的控 制精度。动态性能指标表片系统瞬态响应的品质。为使系统能同时满足动态和稳态性能指标的要求 , 就需要在系统中引入一个专门用于改进性能的附加装置, 这个附加装置就是校正装置。当控制系的开环增益增大到满足其稳定性态性能所要求的数值时, 系统有可能为不稳定 , 或者即使能稳定性定 ,其动态性能一般也不会满足设计要求,为此需要

4、在系统的前向通首中加一个超前校正装置 ,以实现在开环增益不变的前提下 ,使系统的动态性能也能满足设计的要求。当系统的动态性能满足要求 , 而其稳定性态性能不好时 , 就要求所加的校正装置要使系统的开环增益有较大的增大 , 使系统的动态性能不发生明显的变化 , 因此要加入滞后校正装置。若要将两种校正结合起来应用 , 必然会同时改进系统的动态和稳态资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。性能 ,这就是滞后超前校正。而PID 控制器能够满足这两方面的要求,但根据系统性能指标的要求 ,正确地调整 PID 的三个参数是非常重要的。本次设计就主要围绕调节PID 的参数进行。2 总体方

5、案设计对系统进行 PID 控制的设定 , 当系统的被控对象很复杂时 , 难以用解析法建立数学模型 , 可用 Z N 法去调整 PID 控制器的参数 , 非常实用 , 有效和方便。 Z N 法有两种实施的办法 , 共同的目标是使被控系统的阶跃响应具有 25%的超调量。于是就有了下面两种方案。2.1方案设计方案一 :这种方案是先假设 Ti 为无穷大 , Td=0, 即只有比例控制 Kp。具体的做法是 : 将比例系数 Kp值由零逐渐增大到系统的输出首次呈现持续的等幅振荡 , 此时对应的 Kp值为临界增益 ,用 Kc 表示 , 并记下振荡的周期 Tc, 对于这种情况 , 齐格勒和尼可尔斯提出公式 ,

6、以确定相应 PID 控制器的参数 Kp、 Ti 、 和 Td 的值。其传递函数也是一个极点在坐标原点,两个零点均位于-4 处。r(tTcM(tC(t)E(tKp对象图 2.1方案一方框图PID调节器 : Kp=0.6Kc,Ti=0.5Tc,Td=0.125Tc资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。表 2.1 Z-N第二法的参数表控制器的类型KpTiTdP0 5kc0PI0.45kc1/1.2Tc0PID0.6Kc0.5Tc0.125Tc方案二 :在对象的输入端加一单位阶跃信号 , 测量其输出响应曲线。 如果被测的对象中既无积分环节 , 又无复数主导极点 , 则相应的阶跃

7、响应曲线可视为是 S 形曲线。这种曲线的特征可用滞后时间 和时间常数 T 来表征。经过 S 形曲线的转折点作切线 , 使之分别与时间坐标轴和 c(t)=K 的直线相交 , 由所得的两个交点确定延滞时间 和时间常数 T。具有 S 形阶跃响应曲线的对象 , 其 PID 控制器的传递函数为 :Kp (11Tds)Tis这种 PID 控制器有一个极点在坐标原点 ,二个零点都在 S= 1 处。表 2.2 Z-N 第一法的参数表控制器的类型KpTiTdPT0PI0.9T00.3TPID1.22 0.5 2.2 方案论证方法一临界比例法简单而且是闭环,使用起来比第二种方案范围要大点。第二种响应曲线法有一个缺

8、点就是必须要 S 型的响应曲线 , 而且第二种方案是开环的 , 容易受到干扰 , 使得 PID 控制不准确。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。2.3 方案选择经过分析题目和课程设计要求 , 我认为选择第一种方案更为简单和准确 , 因为第二种方案的要求 ( S 型曲线 ) 题目可能不能达到。还需要花时间证明是否是 S 型曲线。因此比起方案一要复杂的多 , 耗费的时间也更多 , 因此我选用方案一来完成本次课程设计。3 单元模块设计3.1 对系统性能指标进行分析由设计要求能够得知 , 系统是在受到阶跃信号后产生相应的 , 由 Matlab 的 simulink 进行了仿真

9、图的搭建 , 如图 3.1 所示 :图 3.1 校正前连线图在 matlab 操作环境中键入以下程序 , 会得到系统的阶跃响应的曲线图和伯德图 , 图 3.2为 matlab 绘制的其闭环传递函数的单位阶跃响应曲线 , 图 3.3 为 matlab 绘制的其闭环传递函数的伯德图。g1=tf(9.9,120 1);g2=tf(0.107,10 1);tau1=80;np,dp=pade(tau1,2);gp=tf(np,dp);g=g1*gp;close=g/(1+g*g2)资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。step(close)bode(close)根据图上的信息能

10、够得于如表3.1所示的原系统性能指标如下所示 :超调量 % = MpC ( MAX )C () *100% =( 6.084.82) /4.8226.1%C ()上升时间 Tr峰值时间 Tp调整时间 Ts波形峰值波形稳定值159 s222 s325 s6.08 v4.82 v表 3.1原系统性能指标图 3.2原系统闭环传递函数的单位阶跃响应曲线资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。图 3.3原系统闭环传递函数的伯德图由阶跃信号经过了闭环控制系统 , 最后由 Scope 来观察波形 , 点击上方的运行按钮之后再双击 Scope 就弹出了如图 3.4 所示的波形。从图上能够

11、看出 , 由 matlab 的 step 函数绘制的系统单位阶跃函数曲线和示波器上显示的图形是一样的。图 3.4 Scope 输出波形系统的动态性能指标 ,远不能满足设计的要求 ,静态误差也不能满足要求。 这是就需要资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。运用校正电路来弥补这些差别的存在。3.2 PID控制器的工作原理PID 校正装置 ( 又称 PID 控制器或 PID 调节器 ) 是一种有源校正装置 , 它是最早发展起来的控制策略之一 , 在工业过程控制中有着最广泛的应用 , 其实现方式有电气式、 气动式和液力式。与无源校正装置相比 , 它具有结构简单、 参数易于整定、

12、 应用面广等特点 , 设计的控制对象能够有精确模型 , 并能够是黑箱或灰箱系统。图 3.4 为它的控制结构框图 ,典型 PID 为滞后超前校正装置。图 3.4 PID 校正系统由图可见 , PID 控制器是通加对误差信号e(t) 进行比例、 积分和微分运算 , 其结果的加权,得到控制器的输出 u(t),该值就是控制对象的控制值。 PID 控制器的数学描述为 :u t1tTdde tK p e(t)e t dtdtTi0式中 u(t)为控制输入 , e(t)=r(t)-c(t)为误差信号 , r(t)为输入量 , c(t) 为输出量。在 PID 控制器中 , 错误信号 ( 受控系统期望的温度与实

13、际温度之间的差值 ) 在加到温度控制电源驱动电路之前先分别以三种方式 ( 比例、 积分和微分 ) 被放大。比例增益向错误信号提供瞬时响应。积分增益求出错误信号的积分 , 并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音。微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率,正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而,在许多情况下 ,比例积分 ( PI:Proportional-Integral,没有微分增益 ) 控制策略也能够产生满足要求的结果 , 而且一般要比完全的 PID 控制器更容易调整到稳定的运行状态 , 并获得符合要求的稳定时间。PID 解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性。调节